一种隧道工程洞内平面控制网快速测量方法

摘要

本发明属于隧道工程控制测量技术领域，具体涉及一种在隧道工程洞内建立平面控制网的快速测量方法，解决了传统控制网作业工作量大、效率低的问题。其特征在于洞内外控制网联测时在洞外控制点上架设全站仪，洞内测量时全站仪架设在左右对称布设的2个控制点之间中部位置，观测前后左右相邻控制点之间水平角、竖直角和斜距，所有测站观测数据组成平面控制网。本发明具有如下有益效果：角度观测受水平折光影响最小；在导线网结构完全相同的情况下，采用中间设站法导线网比传统方式工作效率提高了60%以上。

说明书

技术领域

本发明属于隧道工程控制测量技术领域，具体涉及一种隧道工程洞内平面控制网快速测量方法。

背景技术

为了保证隧道中线平面贯通精度，必须以洞外控制网为基准建立洞内控制网。一般隧道工程洞内空间比较狭小，施工过程中干扰大，通视条件差，因此洞内平面控制网常采用布设灵活的导线网。

传统的洞内导线常采用闭合环导线网。优点是有冗余观测，可以组成环闭合条件，缺点是外业观测量大，效率不高，一般应用于长大隧道的洞内控制测量。

传统洞内闭合环导线网测量方法如下：

1、在洞口控制点A上架设全站仪，对中整平后作为测站，在洞外控制点B上架设基座棱镜组，对中整平后作为后视，在洞内控制点1、2上架设基座棱镜组，对中整平后作为前视。

2、开始测量时读取现场气温、气压、湿度参数，输入到全站仪中自动进行测距成果的改正。

3、观测过程采用方向观测法。上半测回顺时针观测洞外控制点B、洞内控制点1、洞内控制点2、以及归零方向即洞外控制点B，下半测回逆时针观测。要求一次照准棱镜中心同时测量角度和距离。

4、依次在所有控制点（A、1、2、3、……、9）上架设全站仪作为测站，观测与测站同侧的前后相邻2个控制点，需要组成闭合环时联测测站对侧后方或前方洞内控制点，具体联测哪个点要根据闭合环边数不超过4～６条边来确定，最终形成闭合环导线网，如图1所示，图中三角表示洞外控制点，圆点表示洞内控制点，双线表示已知边，单线表示观测边，闭合环编号标注在圆圈内，闭合环一般由4～６条边组成。

随着伺服型全站仪的普及使用，采用自动照准（ATR）技术进行自动观测，不仅降低了测量人员的工作强度，同时缩短了观测时间，也提高了观测精度，因此洞内导线网出现了交叉导线网形式，如图2所示，图中三角表示洞外控制点，圆点表示洞内导线点，双线表示已知边，单边表示观测边，闭合环编号标注圆圈内，闭合环一般由4条边组成。

交叉导线网的特征在于除洞外控制点和洞内最后一个控制点外，洞内测站同时观测前后相邻的2对控制点，优点是：每4条边即可形成一个闭合环，在相同数量的测点情况下交叉导线网闭合环组合数量远远多于闭合环导线网，极大地增强了控制网发现粗差和抵抗粗差的能力，提高了测量成果的可靠性。缺点是：每一个控制点均需架设全站仪设站观测，且每一站观测量比闭合环导线网增加约1倍。往往受洞内通视条件差、施工干扰大等因素影响，造成环闭合差超限，必须返工重测。

发明内容

本发明为了解决隧道工程洞内平面控制网导线测量效率和精度问题，提出了一种快速测量方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

隧道工程洞内平面控制网快速测量方法，其特征在于洞内外控制网联测时在洞外控制点上架设全站仪，洞内测量时全站仪架设在左右对称布设的2个控制点之间中部位置，观测前后左右相邻控制点之间水平角、竖直角和斜距，所有测站观测数据组成平面控制网。

具体步骤如下：

1）点位布设，

洞内控制点分布在隧道中线左右两侧按对称方式布设，处于同一断面里程的左右2个控制点简称为点对；

2）测站组织，

（1）在洞口控制点（A）上架设全站仪，对中整平后作为测站，在洞外控制点（B）上架设棱镜作为后视，在对称的洞内控制点Ⅰ（1）和洞内控制点Ⅱ（2）上架设棱镜作为前视，共观测3个点；

（2）依次在洞内点对之间中部位置架设全站仪，无需对中，因此，在洞内控制点Ⅰ（1）和洞内控制点Ⅱ（2）之间的洞内第1测站将观测5个点即洞口控制点（A）、对称的洞内控制点Ⅰ（1）和洞内控制点Ⅱ（2）、对称的洞内控制点Ⅲ（3）和洞内控制点Ⅳ（4），在洞内控制点Ⅲ（3）和洞内控制点Ⅳ（4）之间的洞内第2测站将观测6个点即对称的洞内控制点Ⅰ（1）和洞内控制点Ⅱ（2）、对称的洞内控制点Ⅲ（3）和洞内控制点Ⅳ（4）、对称的洞内控制点Ⅴ（5）和洞内控制点Ⅵ（6）；……，最后两个对称的洞内控制点Ⅸ（9）和洞内控制点Ⅹ（10）之间的洞内最后一站将观测4个点即对称的洞内控制点Ⅶ（7）和洞内控制点Ⅷ（8）、对称的洞内控制点Ⅸ（9）和洞内控制点Ⅹ（10）；

3）、数据观测，

（1）量取仪高，仪高是指在全站仪整平后全站仪横轴到控制点顶面之间的垂直高度，在洞外控制点上架设全站仪设站时量取仪高从控制点顶面量起，在洞内点对中间架设全站仪设站时无需测量统一设置为0m；

（2）量取镜高，镜高是指棱镜中心到控制点顶面之间的垂直高度，每一站开始测量前量取本测站观测的全部控制点的镜高；

（3）每一测站开始测量前必须测量现场气温、气压、湿度，输入到全站仪中自动进行测距成果的改正；

（4）瞄准架设在控制点上的棱镜中心后触发一次测量，同时记录水平角、竖直角、斜距三个读数；

（5）观测过程按照方向观测法要求进行，测回数、观测精度及限差、归零方向、归零观测等按照行业规范、测量等级确定；

（6）完成所有测回数观测后，检查外业观测精度指标，不合格时返工重测，合格后迁到下一测站，直至完成所有测站观测。

完成步骤“3）数据观测”后的数据处理的方法为：

（1）取每一测站各测回的观测数据平均值作为最终观测成果；

（2）计算测站与各测点间平距、高差，以及测点间水平角，并以测站为原点推算测点坐标；

（3）通过测点坐标计算两点之间的方位、平距、高差，按照不同导线网组网条件提取所需数据以形成等效的观测数据。

本发明相对现有技术具有如下有益效果：

（1）洞内控制点采用点对形式布设在隧道中线两侧，全站仪架设在点对中部隧道中线位置使得角度测量受水平折光影响最小。

（2）在导线网结构完全相同的情况下，采用中间设站法导线比传统方式工作效率提高了60%以上。

以图1为例，采用闭合环导线网方式：每一测站观测2个测点，需要形成闭合环时观测３个点，左右2次设站除去重合点后实际观测了4个测点，采用交叉导线网方式：每一测站观测4个测点，左右2次设站除去重合点后实际观测了4个测点，而采用中间设站法导线网方式：一次设站即可完成6个点的观测。

（3）中间设站法导线网观测数据形成交叉导线网数据，在闭合环角度闭合差、全长相对闭合差满足要求后，采用严密方法平差计算。

附图说明

图1为现有闭合环导线网，

图2为现有交叉导线网，

图3为本发明中间设站法导线网观测图

图4为本发明中间设站法导线网平差图，

图5为实施例中间设站法导线网观测图，

图6为实施例中间设站法导线网平差图。

图中：△洞外已知点，○洞内导线点，◎中间设站位置，＝已知边，—观测边（角度、距离），＋观测边（仅距离），①、②、③……闭合环序号,C1、C2、C3……中间设站序号。

具体实施方式

隧道工程洞内平面控制网快速测量方法，其特征在于洞内外控制网联测时在洞外控制点上架设全站仪，洞内测量时全站仪架设在左右对称布设的2个控制点之间中部位置，观测前后左右相邻控制点之间水平角、竖直角和斜距，所有测站观测数据组成平面控制网。

具体步骤如下：

1）点位布设，

洞内控制点分布在隧道中线左右两侧按对称方式布设，处于同一断面里程的左右2个控制点简称为点对；

2）测站组织，

（1）在洞口控制点（A）上架设全站仪，对中整平后作为测站，在洞外控制点（B）上架设棱镜作为后视，在对称的洞内控制点Ⅰ（1）和洞内控制点Ⅱ（2）上架设棱镜作为前视，共观测3个点；

（2）依次在洞内点对之间中部位置架设全站仪，无需对中，因此，在洞内控制点Ⅰ（1）和洞内控制点Ⅱ（2）之间的洞内第1测站将观测5个点即洞口控制点（A）、对称的洞内控制点Ⅰ（1）和洞内控制点Ⅱ（2）、对称的洞内控制点Ⅲ（3）和洞内控制点Ⅳ（4），在洞内控制点Ⅲ（3）和洞内控制点Ⅳ（4）之间的洞内第2测站将观测6个点即对称的洞内控制点Ⅰ（1）和洞内控制点Ⅱ（2）、对称的洞内控制点Ⅲ（3）和洞内控制点Ⅳ（4）、对称的洞内控制点Ⅴ（5）和洞内控制点Ⅵ（6）；……，最后两个对称的洞内控制点Ⅸ（9）和洞内控制点Ⅹ（10）之间的洞内最后一站将观测4个点即对称的洞内控制点Ⅶ（7）和洞内控制点Ⅷ（8）、对称的洞内控制点Ⅸ（9）和洞内控制点Ⅹ（10）；

3）、数据观测，

（1）量取仪高，仪高是指在全站仪整平后全站仪横轴到控制点顶面之间的垂直高度，在洞外控制点上架设全站仪设站时量取仪高从控制点顶面量起，在洞内点对中间架设全站仪设站时无需测量统一设置为0m；

（2）量取镜高，镜高是指棱镜中心到控制点顶面之间的垂直高度，每一站开始测量前量取本测站观测的全部控制点的镜高；

（3）每一测站开始测量前必须测量现场气温、气压、湿度，输入到全站仪中自动进行测距成果的改正；

（4）瞄准架设在控制点上的棱镜中心后触发一次测量，同时记录水平角、竖直角、斜距三个读数；

（5）观测过程按照方向观测法要求进行，测回数、观测精度及限差、归零方向、归零观测等按照行业规范、测量等级确定；

（6）完成所有测回数观测后，检查外业观测精度指标，不合格时返工重测，合格后迁到下一测站，直至完成所有测站观测。

完成步骤“3）数据观测”后的数据处理的方法为：

（1）取每一测站各测回的观测数据平均值作为最终观测成果；

（2）计算测站与各测点间平距、高差，以及测点间水平角，并以测站为原点推算测点坐标；

（3）通过测点坐标计算两点之间的方位、平距、高差，按照不同导线网组网条件提取所需数据以形成等效的观测数据。

实施例：根据以上发明方法在申请人某项目进行了应用并获得成功。某铁路隧道全长2.1公里，进口位于直线段，其它部分位于曲线段，在隧道贯通后按照中间设站法导线网测设了平面控制网。在隧道进口、出口分别联测了洞外GPS控制点，形成洞内导线网的起算和闭合条件，洞内导线点左右对称布设，相邻点间距在100～150米之间，共埋设40个点组成20个点对。

根据现行《铁路工程测量规范》TB10101-2009相关规定，洞内导线控制网为三等导线，主要技术要求见表1，导线测量的主要技术要求。

外业观测采用LeicaTCRP1201+全站仪，测角精度1.0″，测距精度1mm+1ppm，每测站观测6测回。

隧道控制网按照中间设站法导线网进行外业观测（图4），根据外业观测成果推算测站坐标后转换形成平差文件（图5），在控制网进出口之间形成1条由24个点组成的附合导线，导线附合精度见表2，形成39个四边形闭合环，环闭合精度见表3。

表2环闭合差检查表

附合导线：方位闭合差-3.5″，满足限差=16.9″要求；导线全长2.406公里，坐标闭合差0.0231米，导线全长相对闭合差为1/104307，满足规范1/55000要求。

表3环闭合精度

闭合环：39个，角度闭合差平均值2.1″，最大值7.1″，满足规范7.2″要求；坐标闭合差平均值1.4mm，最大值4.2mm，全长相对坐标闭合差均小于1/1000000，满足规范1/55000要求。

导线网测角中误差＜规范1.8″要求。

其中：

N—导线闭合环个数；

f_β—导线环角度闭合差（″）；

n—计算f_β时的相应测站数。

洞内平面控制网导线按方差分量估计模式严密平差，点位中误差平均1.35mm，最弱边（D38至D40）距离相对中误差1/275000，满足规范1/150000要求。